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1、_英国公共建筑能效评估方法湖南大学土木工程学院 文精卫 杨昌智摘要：欧盟于2002年通过了关于建筑能耗的法律性文件建筑能效指令2002/91/EC，以达到降低欧盟建筑整体能耗同时减少温室气体排放的目标。为此，为了使本国满足要求，欧盟各国对制定建筑能耗统一计算方法和建筑能效证书过程中的技术问题进行了大量研究。英国是欧盟内率先实施能效证书的国家之一，其颁发的证书包括能效证书和环境影响(CO2)证书，体现了建筑能耗和建筑能耗对环境的影响。这里介绍了英国在制定能效证书过程中对公共建筑进行能效评估的一些思路和方法，包括能耗目标设定、计算评估和运行评估以及评估软件等。关键词：建筑能效证书 能效评估 计算评
2、估 运行评估 评估软件The methodology of energy performance rating on public building in BritainCollege of Civil Engineering，Hunan University Jingwei Wen ChangZhi YangAbstract: The European Union passed a juristic documentDirective 2002/91/EC on the energy performance of building（EPBD），which aims at decreasing
3、 greenhouse gases let as well as depressing the whole building energy consumption of the European Union. Therefore, countries of the European Union do abundant studies on technical problems of establishing a uniform calculation methodology of building energy consumption and energy performance certif
4、icate to satisfy this document, and the Britain is one of countries taking the lead in actualizing the building energy performance certificate, of which the issued certificates include energy performance certificate and environmental impact (CO2) certificate, incarnate building energy consumption an
5、d its impact on environment. This paper introduced some thoughts and methods on evaluating energy performance of public building when establishing energy performance certificates, which include energy target setting, calculated energy rating, operational rating and rating software.Key words： energy
6、performance certificate energy performance rating calculated energy rating operational rating rating software0 引言2002年，欧洲议会和欧盟理事会通过的关于建筑能耗的法律性文件建筑能效指令2002/91/EC（Directive 2002/91/EC on the energy performance of building(EPBD)）明确提出，要求各国发展建筑整体能耗的统一计算方法，为新建建筑和既有建筑能耗进行评估并颁发能效证书等1。相关文章介绍了欧盟建筑能效证书编制的思路和方法
7、，德国能源护照的推广发行过程及其相关内容1 2，使我们对能效证书产生过程有了一定了解，但是对于建筑能效评估的具体方法还不清楚，例如，如何确定能耗基准，如何对建筑本身性能和能源管理进行评估。本文介绍了英国评估建筑能效而采取的方法，最后简单介绍针对公共建筑评估开发的软件。1 计算工具（the calculation tool）选择指令明确要求各成员国有国家计算方法（national calculation methodology）用于制定建筑能效标准和建筑能效证书程序。英国已经提出了针对居住建筑能效等级的标准评估程序（the Standard Assessment Procedure，简称SAP）
8、3,正在集中精力发展其他建筑形式的计算方法和程序。评估方法的核心就是计算工具，它有两个主要目的：帮助设定能效标准；计算建筑能效（新建、翻新），然后与法定能效基准比较。提出了选用合适计算方法的关键标准在于： 1 它必须能考虑EPBD附件中设定的参数。2 它必须能够应用到公共建筑。3 它必须能够包括所有形式和大小的公共建筑。4 它必须展示良好的重复性即不同的使用者在评估相同的设计方案时必须得到相同的结果。5 技术上必须是过硬的，结果必须是可信的，使用这个工具能够区别不同的设计方案优劣，并且能容易综合其他新的技术，比如可再生能源。6 它必须有很强的适应性，能够把欧洲建筑能耗标准体系中提出的计算方法考
9、虑进去，并且随着经验的积累，计算工具能够升级。7 它应该是方便检查的。为了便于检查，输入数据和计算过程能够审核。8 在输出结果的时间以及运行计算工具所需的硬件和软件上花费的代价适度。因此提出了两种主要方法来满足这些标准。一种是简单方法，还有一种就是详细模拟方法。在简单方法中，英国提出了采用简单计算工具，类似于SAP。丹麦标准NEN 2917也提出了此种方法，都是基于每月热量平衡。这种方法在1，2，4，7，8方面表现很好，但是在3和5以及6上可能不太适合。而英国提出的ADL2(2002)中采用了碳排放计算方法（Carbon Emissions Calculation Method）能够很好解决3
10、和5所带来的问题。在如何定义与实际设计相同形式和大小的参考建筑上，简化计算方法还需不断改进，然后用此方法模拟参考建筑，来设定实际设计建筑需要达到的能耗指标。在详细模拟方法时，需要选择一个公认的模拟软件，英国的研究者提出了采用EnergyPlus，因为它综合了DOE-2和BLAST的性能。此方法在3和4上表现很好，但是在4，7，8上还存在问题。因为模拟软件要求输入参数比较详细，在不同的细节水平上，对相同建筑设计的模拟结果有很大弹性，从而导致不同的细节水平产生不同能量需求预测，这就会使预测与固定目标值比较时出现问题。在做出选择时应考虑不同计算工具的优缺点，而且还需研究用户界面问题，使得计算工具能够
11、迅速地和重复地使用，最后还需对选择的计算工具进行验证。2 数据输入 计算方法的一个重要问题就是数据输入。对于新建建筑，相对直接，因为建筑形状、构造和HVAC设备等能够从所绘图和设计说明书中获得。而对于翻新、扩建和既有建筑就会出现很多问题，因为有许多数据不能直接获得，将要一定的花费才能获得（如通过测量手段），因此需要发展相关的程序，使得通过有限的调查数据就能推断既有建筑的性能数据。 活动数据（the activity data），对于设计和在建阶段的许多建筑而言，其准确的初始使用情况可能并不知道，而且对于所有建筑的使用模式，在中期甚至更长的时间也是不知道的。因此，为了满足英国制定的建筑规范，定义
12、了一系列的标准活动时间表（Standard Activity Schedules）。这些将定义人员密度、使用时间、照明功率密度以及电器设备功率等，标准时间表也是计算方法中一个关键问题，需要不断发展。 活动时间表不仅需要包括一般的活动区域如普通办公室、教室、体育馆等，而且还包括一些特殊区域，这些区域可能是有高负荷的房间，如商务办公室等，因此对于某些建筑中重要的特殊区域，需要设定更多的典型时间活动时间表来确保建筑效率。数据输入在评估中应用如图1所示。标准活动时间表实际活动时间表分析活动时间表比较能效指标达标能耗目标输入数据计算工具设计说明调查翻新推论工具已建新建图1 数据输入3 能耗目标（ener
13、gy target）设定 整个建筑能耗指标计算方法中的一个关键问题就是如何设定能耗目标。很明显，不同的建筑形式需要设定不同的能耗目标。获得此目标有两种可能方法。第一种就是以历史测量数据为依据，但是有以下困难,一是对于所有建筑类型，不能得到足够好的数据；二是通过测量数据来校准模型，对于所有的建筑类型来说将是一个艰巨的任务。第二种就是基于各种类型的标准建筑产生一个计算值。那么就需要定义标准建筑，有个问题就是目前还没有对所有的建筑进行定义。另外对于同类型建筑如办公建筑，办公室（单间，开间）、服务间（设备间）、流通区域（走廊，楼梯）等的相对比例也会随着建筑形状不同而不同，因此如何定义标准建筑是目前研究
14、工作之一。对比两种方法，英国选择第二种方法即通过计算方法来产生建筑能耗目标，同时提出了两种不同计算方法：方法1基于活动区域（Activity Areas）此种方法将基于标准活动时间表，根据建筑和设备的每个要素规定来确定各种不同类型活动区域的年能耗预算。然后对建筑中的所有活动区域年能耗预算进行面积加权，就可得到建筑的能耗目标。这就需要对墙、玻璃、地板、设备效率等要素设定标准。采取此种方法的困难在于活动区域的能耗状况是由建筑的尺寸和它的位置来决定的，例如，普通办公区域会有不同能耗主要看它是否位于建筑的中心以及建筑的西南面或北面；另一个问题就是活动区域能耗目标仅用于新建建筑，而对于翻新、扩建建筑，产
15、生整个建筑的能耗目标将是不现实的。活动区域能耗目标（Energy budgets for activity areas）研究也是英国目前进行区域能耗基准研究工作的一部分。此种方法如图2所示。 分析活动时间表表能耗目标计算工具能耗预算(活动区域)活动区域标准活动时间表要素标准建筑设备 图2 基于活动区域产生的能耗目标 方法2自动产生目标 （auto-generation target ），基于整个建筑。 由于建筑尺寸、形状以及使用模式不同意味着对每种普通类型建筑设定单一的性能标准是困难的，因此产生一个适用所有建筑类型的相关性强的函数关系将是一个主要的任务。如果认为关键变量是尺寸、形状、服务策略以
16、及使用方式，然后详细定义用来计算建筑能效的相关参数。尺寸和形状通过建筑几何来定义，服务策略通过HVAC形式定义，使用方式将通过建筑不同区域的活动时间表来定义。这就意味着标准计算工具能够提供函数关系，使得一个合适的能耗目标能够与尺寸、形状、服务策略和使用模式联结起来。如果此计算能够替换实际设计过程中规范所规定的建筑和HVAC标准要素，那么它将会产生适合于特定形状和使用方式的建筑的能耗目标。此种方法也适用于建筑翻新和扩建，如果计算仅将标准要素替换成所对应的翻新或扩建建筑部分要素，产生的能耗目标就能说明所保留建筑和设备的性能。 方法如图3所示。 分析活动时间表能耗目标输入数据计算工具(设定标准)设计
17、说明参考建筑要素标准建筑设备标准活动时间表新建图3 基于整个建筑产生的能耗目标比较上述两种方法，英国目前发展第二种方法为建筑产生单独的能耗目标，而且用CO2排放量表示。为此提出想象建筑（notional building）概念,类似于我国公共建筑节能设计标准提出的参照建筑。实际建筑的能耗目标就是基于想象建筑上得出的，但是确定实际建筑能耗目标还考虑了建筑采用不同的系统，如果建筑采用混合系统时，改进系数可采用面积全重法。同时还考虑可再生能源影响，也有一个系数LZC基准（low and zero benchmark），最后对想象建筑计算的能耗目标进行修正，得出实际建筑的能耗目标，如图4所示。TER=
18、（1-改进系数）（1-LZC基准）4如对于设有空调系统而且使用了可再生能源的建筑，其实际建筑能耗目标应为（1-20%）（1-10%）=0.72,其中表示想象建筑计算能耗目标。 服务策略改进系数LZC基准供热和自然通风系统供热和机械通风系统空调系统15%20%20%10%10%10%建筑CO2排放目标修正4 图4 实际建筑能耗目标修正4 计算评估和运行评估56为了在EPBD下完成能效证书制定工作，英国研究者也提出了自己的方法。一个最基本的问题就是在能效证书上需要显示一些什么信息，以及这些信息应该如何说明建筑能耗情况。为此提出了两种基本性能指标，一种是评估建筑固有性能潜力。它将会评估建筑结构和服务
19、设备（HVAC设备、照明设备等）在标准设定下的性能，我们定义术语为资产评估（Asset Rating）。这个评估对那些将购买或出租建筑的客户来说有特别吸引力，因为这是他们每天将要使用的。很明显资产评估仅通过理论计算预测。另一种是评估建筑的使用性能。这个不仅受建筑质量影响，也会受建筑维护和运行影响，这点对于那些努力改变建筑使用效率的能源管理者来说特别重要，定义术语为运行评估（Operational Rating），很明显它必须基于实际测量能耗，为了消除建筑尺寸、使用模式、天气等因素的影响，还需对测量能耗进行标准化处理。资产评估是基于理论计算，为确保建筑之间进行比较，需采取相同的计算工具进行计算，
20、同时用于计算资产评估的活动时间表总要保持一样。两种方法的比较法则如下：这里E表示预测能耗，下标“actual”和“notional”表示实际设计建筑和想象建筑。“simplified”和“simulation”代表预测能耗的模型及两种不同计算方法。倘若基于简单计算的结果能够达到一定的精度水平，那么任何计算工具都可以用于资产评估，这就意味着其中任何一种计算方法都能够成为标准工具。计算资产评估的方法如图5所示：输入数据实际建筑设备标准要素建筑设备建筑几何计算工具标准活动时间表资产评估法定基准图5 资产评估运行评估必须基于实际测量数据，再将数据进行标准化处理，因此英国提出还需发展相关方法来检验数据的
21、质量。这是非常有用的，因为它能够得出校正的年能耗数据，从而为建筑能耗提供可靠的信息。为了对建筑进行运行还需发展合适的基准，由此提出了两种方法： 方法1计算基准（Calculated benchmarks） 在此方法中，将使用标准计算工具来预测建筑实际运行时所消耗的能量，通过实际活动时间表而非标准活动时间表来计算建筑能耗。实际活动时间表是评估建筑多种改造措施的节能潜力的基础。在实际活动中对建筑进行评估是很重要的，因为建筑使用方式不同对节能经济效益有很大影响。例如,照明替换用在一个一周工作七天，每天24小时运行的办公室比一个一周工作5天，每天运行10小时的办公室具有更大的节能效益。类似地，一些重要
22、策略的可行性如热电联产（CHP）可能考虑需要更多的使用小时数。 有个问题就是预测性能与实际情况不符，这有很多原因：模型中描述建筑和空调系统时往往简化；建造的建筑不会完全与设计的一致，例如可能有些地方没有绝热，设备可能不能调试到最优状态等；建筑可能不是在有效率的情况下运行，例如在不需要照明的时候灯可能还开着，设定点参数可能比所需的高些等；即使在最佳维护和运行状态的建筑，性能也会随着时间而改变，例如设计的灯光系统是基于一个保持因素，因为灯光输出量会随着时间而减少，然后又随着光源被擦净或者灯被替换而改变(增加)。在最终情况下，这些都是不重要的，而测量评估相对于基准的比例是很重要的，这个比例将给出管理
23、效力（management effectiveness）的评估，困难之处在于只有在比较实际性能与标准计算工具得出的预测性能后，才知道某个比例（如1.8）是好、坏或者无关紧要的。另一个问题就是仅基于实际活动时间表产生的评估，使我们无法比较一个建筑的运行性能与另一个建筑的运行性能，因为它们的实际时间表是不同的。一个解决方法就是不产生能耗评估（energy rating），而是产生能源管理效力评估（上面提到的比例），与资产评估结合，这两个数字就会成为描述建筑能效和能源管理体制好坏的关键性数据。事实上，管理不足可能会降低建筑和设备本身的节能潜力。因此，在实际中对建筑进行任何硬件改造前将管理升级到一定水
24、平是非常合理的。此方法产生基准过程图6所示：输入数据实际建筑设备建筑几何计算工具实际活动时间表运行基准 (预测)标准化(面积等)测量数据读取运行评估 图6 运行评估计算基准方法2测量基准（Calculated benchmarks）采用测量基准是一个传统方法。就是将实际能耗处理成标准使用模式下的能耗，因此能够使建筑之间进行运行能耗比较。这个方法最大的一个优点就是基准不再是针对某个建筑单独的值而是一个对所有建筑适用的基准，从而我们能够定义典型的实际基准。此种方法的一个潜在限制就是很难对建筑进行归类。因为建筑经常是多用途的（带有零售的办公建筑，带有住宅的零售建筑，带有办公室的工厂等），即使在相同的
25、建筑中也有许多不同用途的分类，例如在办公建筑中，单间办公室与敞开办公室，不同档次的会议房间，小卖部等。这就会促进“区域基准”（tailored benchmarks）的发展,因为这个标准是基于“活动区域”，通过活动区域面积能耗加权得到，而不是整个建筑。活动区域（Activity Areas）的使用能够使区域基准应用到所有建筑类型中，倘若存在可信的数据，就能够确定所有形式的活动区域的能量预算。英国正在研究大量不同建筑类型活动区域的基础数据。产生基准的方法如图7描述：实际活动时间表终端使用分类能量预算(活动区域)基准数据库运行基准 (测量)标准化(面积等)测量数据读取运行评估 图7 运行评估测量基
26、准此种方法一个争议的地方就是它是假设活动区域之间是没有交互作用前提下的。如果不同的活动区域采用独立的系统，那么此种方法是正确的，但是往往情况并不是这样。在最终的评估中，通过模型预测产生能效基准或者终端测量能耗分类的两种方法看起来没有什么差别。最后选择可能看哪种方法执行起来最具经济效益。虽然基于模型的方法将需更进一步地发展，但是在评估阶段能节省时间。无论最后采用哪种方法，通过建筑描述、资产评估以及运行评估能够收集大量数据，这是非常有用的。随着时间积累，会发展成为一个无价的数据库，能够为设计和运行策略（提高能源效率）提供重要的意见，通过不断反馈，从而为消除设计和运行性能之间差距提供了一个重要工具。
27、上面讨论的过程可用下面的图8来表示，表明了如何将计算方法中的单个要素结合来产生基准和评估。输入数据实际建筑设备要素标准建筑设备建筑几何计算工具标准活动时间表资产评估法定基准实际活动时间表终端使用分类运行基准 (预测)能量预算活动区域法定基准运行基准 (测量)标准化(面积等)测量数据读取运行评估管理效力 评估图8 评估方法框架5 评估软件为了建立国家计算方法（national calculation methodology），英国发布了针对公共建筑的简单计算工具SBEM（Simplified Building Energy Model），并于2008年2月12发布了改进版。在给出建筑形状、构造、
28、使用情况、HVAC以及照明设备前提下，该软件能够提供建筑能耗分析，能计算每月终端能耗以及建筑的CO2排放。它最初是基于丹麦标准非居住建筑能效，然后依据欧盟制定的建筑能耗标准进行了改进。开发SBEM的目的是为公共建筑提供可靠的终端能耗估值，便于评估建筑能耗是否达标，并且最终用于建筑能效证书颁布。欧洲其他研究机构基于EPBD下还开发了其他能效评估软件，如评估已建小户型居住建筑的软件EPAED7，评估非居住建筑的软件EPANR。但它们的计算方法是一致的，都是建立在欧盟建筑能耗标准体系上的。6 结语英国是欧盟内率先实施能效证书的国家之一，其颁发的证书包括能效证书和环境影响(CO2)证书，体现了建筑能耗
29、和建筑能耗对环境的影响。世界上其他发达国家也发展了评估建筑的方法如澳大利亚提出的采用the Australian Building Greenhouse Rating scheme (ABGR)来评估办公建筑的能源效率，美国针对居住建筑的ENERGY STAR制度，它们最终都是用能效等级来反映建筑能效。对建筑进行能效评估，颁发能效证书，是促进建筑节能、降低建筑能耗的有效手段，但同时也是一项复杂繁重的工作。随着近年来城市化速度加快，建筑规模不断扩大，率先研究和制定新建建筑能效评估方法，来遏制建筑能耗浪费源头。而在我国既有建筑中，95%以上是高能耗建筑，与同等气候条件下的发达国家相比，单位建筑面积
30、的能耗要高出2倍左右，因此也急需对既有建筑进行评估促使其翻新、改进。我们不仅对建筑本身而且还需发展对设备系统的能效评估，同时发展建筑运行评估，从而对建筑、设备系统、运行管理综合评估，促使建筑达到真正节能的目的。参考文献1 刘刚.欧盟建筑能效证书制定方法J.暖通空调增刊，2007，37:70-742 吴筠，龙惟定.德国的建筑能源护照制度J.暖通空调，2006，36(8):91-943 BRE,Garston,Watford WD25 9XX.The Governments Standard Assessment Procedure for Energy Rating of Dwellings.2
31、005. www.bre.co.uk/sap20054 Approved Document L2A,Conservation of fuel and power in new buildings other than dwellings.2006. http:/www.planningportal.gov.uk/england/professionals/en/4000000000563.htm5 EPBD Methodology in support of the EPBD. www.ncm.bre.co.uk6 BS EN 15217 Energy performance of buildingsMethods for expressing energy performance and for energy certification for buildingsS,20077 Bart Poel，Gerelle van Cruchten，Constantinos A.Balaras. Energy performance assessment of existing dwelling，Energy and Buildings 39(2007)393-4039_